郭 強 劉玉璽 李永勝 包第嘯

喀麥隆曼維萊水電站廠房吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

郭 強 劉玉璽 李永勝 包第嘯

曼維萊水電站的設(shè)計咨詢?yōu)榉▏埔艄荆稍円笤O(shè)計采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，以廠房吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，詳細闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用美國標(biāo)準(zhǔn)的計算方法。

廠房吊車梁 歐美標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆共和國南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，攔河壩位于恩特姆河上，電站采用引水徑流式開發(fā)，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，最大引水流量450 m3/s，電站總裝機容量為211 MW。

發(fā)電廠房廠址位于壩址下游約4.0 km的恩特姆河左岸岸坡上，為引水式地面廠房。主廠房尺寸(長×寬×高)121.5 m×26.5 m×52.9 m，廠內(nèi)選用1臺單小車150/50(工作級別M4)橋式起重機，最大輪壓425 kN。。

結(jié)構(gòu)計算采用美國標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 采用的美國標(biāo)準(zhǔn)

2 吊車梁的型式及尺寸選擇

吊車梁截面常用的有矩形、T 形和I 形等型式，根據(jù)吊車起重量、主廠房柱間距，結(jié)合水機專業(yè)鋼軌及埋置鋼軌附件布置要求，經(jīng)過多方面論證與考慮，本電站采用T 形截面。初步擬定T 形鋼筋混凝土吊車梁的梁高、翼緣寬度及腹板寬度分別是1 700、700、500 mm。根據(jù)廠房預(yù)制吊車梁平面布置圖，吊車梁共3種跨度，其長度依次為：8.15、5.20、6.75 m。

3 荷載計算

3.1 主要荷載計算方法

吊車梁荷載主要包括梁自重、鋼軌及附件重、輪壓(考慮起吊最重件及平衡梁重量)、豎向沖擊力、水平制動力、活荷載及地震荷載等。

荷載計算基本與國內(nèi)規(guī)范計算方法相同，這里不再詳述，僅有幾個與國內(nèi)規(guī)范規(guī)定不同的荷載描述如下。

3.1.1 橋機豎向荷載

按照ASCE STANDARD ASCEISEI 7-05規(guī)定，豎向荷載動力系數(shù)為1.25，國內(nèi)水工規(guī)范為1.05。

3.1.2 水平制動力

水平制動力按吊車最大起重量及自重的20%計算，并均分到各個輪上。

3.1.3 活荷載

活荷載按照5 kPa考慮。

3.1.4 地震荷載

根據(jù)EM 1110-2-2200，按擬靜力法計算地震慣性力，計算方法如下。

水平地震慣性力：

Feh=∑GKh

式中Feh——水平地震慣性力，kN；

Kh——水平地震加速度；

Kho=aho/g，ah=0.03g(OBE)；

KhM=ahM/g，ah=0.06g(MDE)；

∑G——自重，kN。

豎向地震慣性力按2/3 水平地震慣性力計算。

3.2 荷載組合

按ACI 318規(guī)定，荷載組合如下：

U=1.4D；
U=1.2D+1.6L+1.6Pi；
U=1.2D+1.4EOBE+1.0L+1.0Pi；
U=1.2D+1.0EMDE+1.0L+1.0Pi；

荷載分別為自重D、活荷載L、吊車荷載Pi及地震荷載E。

3.3 內(nèi)力計算

根據(jù)荷載組合計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，國內(nèi)外方法是一致的，因此這里不在贅述，本工程采用SAP2000計算。

4 承載能力極限狀態(tài)計算

承載能力極限狀態(tài)按美國規(guī)范計算，美國規(guī)范與中國規(guī)范的計算方法略有不同，不同之處按如下幾個方面簡述。

4.1 正截面計算

4.1.1 基本假定

美國規(guī)范假定應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為矩形、梯形、拋物線形，極限壓應(yīng)變?nèi)?.003。

4.1.2 正截面計算的系數(shù)規(guī)定

中國、美國規(guī)范正截面計算時均將曲線的混凝土受壓區(qū)應(yīng)力分布等效為矩形分布。

4.1.3 鋼筋應(yīng)力計算公式

中國和美國的鋼筋應(yīng)力計算公式，是以混凝土達到極限壓應(yīng)變εcu作為構(gòu)件達到承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志而給出的。按平截面假定，可寫出截面任意位置處的鋼筋應(yīng)力計算公式。

4.1.4 正截面受彎承載力計算

中美規(guī)范關(guān)于正截面受彎承載力的基本原理是一致的，但美國規(guī)范的規(guī)定較簡單，主要計算公式如下。

ACI 318規(guī)定，受彎構(gòu)件最小配筋面積：

式中f'c——混凝土特征強度，MPa；

fy——鋼筋屈服強度，MPa；

bw——矩形截面寬度或T形截面肋寬，mm，對于翼緣處于受拉狀態(tài)的T形截面,取翼緣寬度及2bw二者中的較小值；

d——截面有效高度，mm。

截面配筋面積小于最小配筋面積時，按最小配筋率進行配筋計算；如大于最小配筋面積，則截面配筋率按下式計算：

Mn——彎矩設(shè)計值，MPa；

Mu——彎矩計算值，MPa；

φ——強度折減系數(shù)。

根據(jù)本項目安裝間最大跨度吊車梁的計算結(jié)果，按美國規(guī)范計算縱向鋼筋面積13 566 mm2，按國內(nèi)規(guī)范計算為12 505 mm2，兩者計算結(jié)果差距不大。

4.2 斜截面承載力計算

對于無腹筋受彎構(gòu)件受剪承載力的計算，中國、美國規(guī)范的公式都是經(jīng)驗公式，中國規(guī)范的計算方法相對簡單，而美國規(guī)范的公式比較復(fù)雜，考慮的因素很多。

美國規(guī)范有關(guān)計算方法如下。

只配置抗剪箍筋時：

配置抗剪箍筋及彎起鋼筋時：

式中Av——抗剪箍筋面積；

Ab——抗剪彎起鋼筋面積；

Vu——計算剪力；

Vc——混凝土的受剪承載力；

Vs——箍筋的受剪承載力；

α——彎起鋼筋的彎起角；

s——箍筋間距。

本項目計算結(jié)果，按美國規(guī)范計算Av/s=6，彎起鋼筋面積2 475 mm2，按國內(nèi)規(guī)范計算Av/s=4.1，彎起鋼筋面積2 484 mm2，從結(jié)果可以看出，箍筋配置兩國計算方法差距較大，彎起鋼筋結(jié)果相近。

4.3 受扭承載力計算

中國規(guī)范考慮剪力與扭矩的相互作用計算所需抗剪和抗扭縱向鋼筋和箍筋的面積，用βt反映剪扭作用下混凝土受扭承載力的降低，縱向鋼筋截面面積分別由正截面受彎承載力和剪扭構(gòu)件受扭承載力計算，并按所需的鋼筋截面積進行配置。

美國規(guī)范規(guī)定，對于扭矩、剪力、彎矩和軸力共同作用的情況，單獨計算抗扭、抗剪、抗彎和抗壓所需鋼筋，然后進行疊加。

美國規(guī)范有關(guān)計算方法如下：

式中Acp——混凝土橫截面周長所包圍的面積，mm2；

Pcp——混凝土截面外沿周長，mm；

φ——強度折減系數(shù)；

Tu—— 截面上的計算扭矩，kN·m。

抗扭箍筋的最小截面面積應(yīng)按下式計算：

但不應(yīng)小于0.35bw/fyt；

縱向受扭鋼筋的最小總截面面積 (mm2)：

式中At/s≥0.175bw/fyt；

fyt——抗扭箍筋屈服強度，MPa；

fy——縱向抗扭鋼筋屈服強度，MPa。

截面配筋面積小于最小配筋面積時，按最小配筋率進行配筋計算；如大于最小配筋面積，則截面配筋率按下式計算：

φTn≥Tu

式中θ——彎起鋼筋與軸線夾角, 不應(yīng)小于30°也不應(yīng)大于60°；

A0——剪力流包圍的總面積，mm2。

本項目計算結(jié)果，按美國規(guī)范計算At/s=0.7，縱向受扭鋼筋面積3 216 mm2，按國內(nèi)規(guī)范計算At/s=1.0，彎起鋼筋面積4 800 mm2，從結(jié)果可以看出，箍筋配置差距較大，彎起鋼筋結(jié)果相近。

5 正常使用極限狀態(tài)驗算

5.1 抗裂驗算

中國規(guī)范的抗裂驗算包括正截面抗裂驗算和斜截面抗裂驗算。美國規(guī)范控制鋼筋間距和鋼筋應(yīng)力，給出了非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件鋼筋間距(應(yīng)力)公式及上限值和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼筋間距(應(yīng)力)限值。

5.2 裂縫寬度驗算

中國規(guī)范給出了矩形、T形、倒T形和I形截面受拉、受彎和偏心受壓構(gòu)件的裂縫寬度計算公式。美國規(guī)范通過控制鋼筋間距和鋼筋應(yīng)力限制裂縫。

5.3 受彎構(gòu)件撓度的驗算

建筑和水工規(guī)范的長期剛度是在短期剛度基礎(chǔ)上考慮長期作用對撓度增大的影響得出的。

美國規(guī)范分兩種情況驗算撓度：可不進行計算和需計算的情況。對于不計算的情況，應(yīng)滿足最小厚度要求。對于需計算的情況應(yīng)計算有效慣性距和毛截面慣性距，然后計算撓度并與限值比較。

6 結(jié) 語

中美兩規(guī)范配筋計算從荷載、荷載組合、安全系數(shù)及計算公式等方面均略有不同，但原理基本一致，計算結(jié)果亦差距不大。

曼維萊水電站廠房吊車梁結(jié)構(gòu)按美國規(guī)范設(shè)計，滿足了法國咨詢的要求并獲得審批，目前工程已完工，運行良好。本文通過中美規(guī)范設(shè)計方法的對比，介紹了美國規(guī)范關(guān)于吊車梁計算的方法，希望通過本吊車梁的設(shè)計為類似國外工程的吊車梁設(shè)計提供借鑒。

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郭 強 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

劉玉璽 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李永勝 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

包第嘯 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-05)